嵌入式软件分层框架的优劣

正文

前言

为了能够使得产品得到更好的开发速度与以后更好的迭代和移植，框架分层是很有必要的。但如对于中小型项目严格遵循这些原则，势必会消耗过多精力去思考怎么设计系统，这是一个抉择的过程。

一、框架分层是什么？

在嵌入式架构中：一般分为硬件架构与软件架构。这里是嵌入式软件设计，也是大多数人接触的设计。

所谓的分层，也可以理解为模块化的设计，但是框架分层的设计一般会遵循以下几点原则

每个模块提供的接口要统一，只能增加，不能改。在设计的时候得考虑好兼容性，使用起来麻烦不麻烦等等。

同一级模块与模块之间相互独立，互不影响，不能相互调用，只能调用它下一层的接口。

不同模块构成不同的层，层与层之间不能跨级调用。

模块中又可以继续分层，可以增减分层，这个需要根据自己的项目需求来进行设置。

一般可以分为：硬件驱动层–>功能模块层–>应用接口层–>业务逻辑层–>应用层

让我们看看这个经典的图，简单了解一下框架分层。

从图中不难观察出，设计都是遵循设计的原则的，层与层之间不能相互调用。

二、框架分层的优劣势

1.优势

单一职责：每一层只负责一个职责，职责边界清晰，不会造成跨级调用，在大型项目中，每个人负责的部分不一样，加快整个项目的开发进度。

高内聚：分层是把相同的职责放在同一个层中，所有业务逻辑内聚在领域层。在测试的时候，只需要测试该领域的层即可，一般不需要考虑其他层的问题。

低耦合：依赖关系非常简单，上层只能依赖于下层，没有循环依赖。

易维护：面对变更容易修改。在平台更改后，如果只是改了驱动，其他层都不需要动，只需要把驱动层给更改，其他层的功能不需要更改。

易复用：如果功能模块变动了，只需升级相应的功能模块，其他的模块不受影响，应用层也不受影响。

如果想要更好地利用这些优势，那得严格遵循设计的原则。

2.劣势

开发成本高：因为多层分别承担各自的职责，增加功能需要在多个层增加代码，这样难免会增加开发成本。但是合理的抽象，根据自己的项目设置合理的层级是能降低开发成本的。

性能略低：业务流需要经过多层代码的处理，性能会有所消耗。

可扩展性低：因为上下层之间存在耦合度，有些功能变化可能涉及到多层的修改。

有优势也有劣势，需要根据自己的项目需要，进行部分的取舍，如果是中小型项目，可以不需要分层（如果不考虑到以后会迭代的话），或者部分分层就够了，既能利用框架分层的部分优势，也能降低开发成本。

三、一个简单的例子

由于主要讨论的是软件框架的分层设计，这里使用STM32cubemx来进行硬件的初始化，尽可能少考虑到硬件驱动的部分。

以一个智能小灯的作为例子：

功能

按键控制小灯的亮度，等级为：0，1，2，3

串口可以观察当前小灯亮度等级

OLED也可以观察当前小灯亮度等级

下面就是这个例子的一个简单的图示。

这和例子比较简单，业务逻辑层完全可以去除，直接从应用层调用功能模块层，加快开发进度。

最后附上一点点代码，就是关于LED如何进行在不同层进行封装

硬件层

首先看HAL库生成提供的代码，这个就是LED硬件层，也就是GPIO层,cubemx已经生成了，在stm32f4xx_hal_gpio.c（我用的是F4），以及有相应的GPIO的驱动了，这里不需要我们进行处理。

硬件层驱动层

看LED部分的驱动，也就是下面的这两个函数

 

void MX_TIM1_Init(void);
void HAL_TIM_MspPostInit(TIM_HandleTypeDef* timHandle);
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/* TIM1 init function */
void MX_TIM1_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN TIM1_Init 0 */

  /* USER CODE END TIM1_Init 0 */

  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
  TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};

  /* USER CODE BEGIN TIM1_Init 1 */

  /* USER CODE END TIM1_Init 1 */
  htim1.Instance = TIM1;
  htim1.Init.Prescaler = 168-1;
  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim1.Init.Period = 10000;
  htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
  htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  sConfigOC.Pulse = 0;
  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
  sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
  sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
  sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_DISABLE;
  sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE;
  sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF;
  sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 0;
  sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE;
  sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH;
  sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN TIM1_Init 2 */

  /* USER CODE END TIM1_Init 2 */
  HAL_TIM_MspPostInit(&htim1);

}

void HAL_TIM_MspPostInit(TIM_HandleTypeDef* timHandle)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(timHandle->Instance==TIM1)
  {
  /* USER CODE BEGIN TIM1_MspPostInit 0 */

  /* USER CODE END TIM1_MspPostInit 0 */

    __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
    /**TIM1 GPIO Configuration
    PE11     ------> TIM1_CH2
    */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_11;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_TIM1;
    HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);

  /* USER CODE BEGIN TIM1_MspPostInit 1 */

  /* USER CODE END TIM1_MspPostInit 1 */
  }

}
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对其进行封装，就是我们想要的Led小灯的驱动了，到时候如果需要，改驱动直接改底层就行了。

 

void Led_init()
{
 MX_TIM1_Init();
 HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_2);//启动PWM
}
12345

 

功能模块层

根据上面的需求要求划分为四个不同等级，同时也需要对LED驱动进行进一步封装，以便满足层与层之间不能跨级调用的原则（到这里是不是发现很麻烦！小项目就不要用啦！）

 

//ARR计数器设置值为0~10000
#define LED_GRADE_0  0
#define LED_GRADE_1  3000
#define LED_GRADE_2  6000
#define LED_GRADE_3  10000
//设置LED亮度功能
void Led_Set_brightness(int Grade)
{
 if(Grade==LED_GRADE_0)
 {
     __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, Grade);
  HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1,TIM_CHANNEL_2);//关闭PWM输出
 }
 else
 {
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2, Grade);
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, Grade);
 }
}

//启动LED功能
void Led_Start()
{
 Led_init();
}
12345678910111213141516171819202122232425

 

业务逻辑层

这里仅仅以启动层为例：

 

void Start_app()
{
 Led_Start();
}
1234

 

应用层

基本流程是：启动业务逻辑->读取业务逻辑->处理业务逻辑->显示业务逻辑。

四、总结

到这里,一个简单的例子也解释完毕了，通过LED这个简单的例子，已经大概了解到这个设计的复杂了，如果是大型项目，运用起来会很爽，小型的话完全没必要这样分层，太麻烦了，严重减慢开发效率，时间都用在思考如何进行分层才能符合框架分层的原则。

　　审核编辑：汤梓红